计算机系统

概述

冯·诺依曼计算机组成

存储器系统

层次化存储体系

由快到慢：

• CPU，寄存器
• Cache，按内容存取（相联存储器）
• 内存（主存），DRAM
  • RAM，断电数据丢失（内存）
  • ROM，断电数据不丢失（BIOS）
• 外存（辅存），硬盘、光盘、U 盘等

局部性原理是层次化存储结构的支撑。

Cache 命中率

以 $h$ 代表对 Cache 的访问命中率，$t_1$ 表示 Cache 的周期时间，$t_2$ 表示主存储器周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为 $t_3$，则：

$$t_3=h\times t_1+(1-h)\times t_2$$

Cache 地址映像

• 直接相联映像
• 全相联映像
• 组组相联映像

Cache 页面淘汰算法及写回算法

• 随机算法（RAND）
• 先进先出算法（FIFO）
• 近期最少使用算法（LRU）
• 最不经常使用页置换（LFU）

磁盘管理

读取磁盘数据的时间应包含以下三个部分：

1. 找磁道的时间
2. 找块（扇区）的时间，即旋转延迟时间
3. 传输时间

存取时间 = 寻道时间 + 等待时间

移臂调度算法

• 先来先服务（FCFS）
• 最短寻道时间优先（SSTF） 贪心
• 扫描算法（SCAN） 双向
• 循环扫描（CSCAN）算法 单向

RAID

• RAID0（条块化）：性能最高，并行处理，无冗余，损坏无法恢复
• RAID1（镜像结构）：可用性、可修复性好，仅有 50%利用率
• RAID0+1（RAID10）
• RAID3（奇偶校验并行传送）：N+1 模式，有固定的校验盘，坏一个盘可恢复
• RAID5（分布式奇偶校验的独立磁盘）：N+1 模式，无固定的校验盘，坏一个盘可恢复
• RAID6（两种存储的奇偶校验）：N+2 模式，无固定的校验盘，坏两个盘可恢复

网络存储技术

• 直连式存储（DAS）
• 网络附加存储（NAS）
• 存储区域网络（SAN）
• IPSAN（iSCSI）

虚拟存储

分类方式	分类
拓扑结构不同	对称式和非对称式
实现原理不同	数据块虚拟和虚拟文件系统
实现方式不同	主机级虚拟化 存储设备级虚拟化 网络级虚拟化

指令系统

CISC 和 RISC

多处理机系统

分类

• UMA 多处理机
• NUMA 多处理机
• COMA 多处理机
• S2MP（可扩展共享存储多处理机）

多处理机互联函数

互连函数	描述	表达式
恒等置换		$I(x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0)=x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0$
交换置换		$E(x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0)=x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1\overline{x_0}$
方体置换		$C(x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0)=x_{n-1}\cdots \overline{x_k}\cdots x_1{x}_0$
均匀洗牌置换		$S(x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0)=x_{n-2}{x}_{n-3}\cdots x_1{x}_0{x}_{n-1}$
蝶式置换		$B(x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0)=x_0{x}_{n-2}\cdots x_1{x}_{n-1}$
位序颠倒置换		$B(x_{n-1}\cdots x_k\cdots x_1{x}_0)=x_0{x}_1\cdots x_{n-2}{x}_{n-1}$